: NGUYỄN THANH TRIỀU 1700
2.11.2. Các module ứng dụng vào mô hình
Module I2C [6]
Hình 2.57 - Hình ảnh Module I2C
LCD có quá nhiều chân gây khó khăn trong quá trình kết nối và chiếm dụng nhiều chân của vi điều khiển. Module chuyển đổi I2C cho LCD sẽ giải quyết vấn đề này, thay vì sử dụng tối thiểu 6 chân của vi điều khiển để kết nối với LCD (RS, EN, D7, D6, D5 và D4) thì với module chuyển đổi bạn chỉ cần sử dụng 2 chân (SCL, SDA) để kết nối. Module chuyển đổi I2C hỗ trợ các loại LCD sử dụng driver HD44780(LCD 16x2, LCD 20x4…), kết nối với vi điều khiển thông qua giao tiếp I2C, tương thích với hầu hết các vi điều khiển hiện nay.
Ưu điểm
- Tiết kiệm chân cho vi điều khiển. - Dễ dàng kết nối với LCD.
Thông số kĩ thuật
- Điện áp hoạt động: 2.5-6V DC
- Hỗ trợ màn hình: LCD16x2,16x4,20x4 (driver HD44780) - Giao tiếp: I2C
- Địa chỉ mặc định: 0X27 (có thể điều chỉnh bằng ngắn mạch chân A0/A1/A2) - Tích hợp Jump chốt để cung cấp đèn cho LCD hoặc ngắt
Module HC-06
Mạch thu phát Bluetooth HC-06 đã ra chân được thiết kế nhỏ gọn ra chân tín hiệu giao tiếp cơ bản và nút bấm để vào chế độ AT COMMAND, mạch được thiết kế để có thể cấp nguồn và giao tiếp qua 3.3VDC hoặc 5VDC, thích hợp cho nhiều ứng dụng khác nhau: Robot Bluetooth, điều khiển thiết bị qua Bluetooth....
Hình 2.58 - Hình ảnh Module HC-06
Module bluetooth HC-06 dùng tập lệnh AT để thực hiện giao tiếp với các thiết bị khác. Module thực hiện phương thức giao tiếp UART (gửi nhận tín hiệu điều khiển) với Arduino thông qua chân TX và RX. Khi đó module sẽ phát bluetooth để kết nối với smartphone và nhận tín hiệu từ ứng dụng của smartphone để đưa đến Arduino điều khiển các chi tiết chấp hành.
Module Relay 8 kênh [6]
Hình 2.59 - Hình ảnh Module Relay 8 kênh
Module relay bản chất là dùng relay để điều khiển đóng mở, dùng điện áp nhỏ để kích mở điện áp lớn.
Module nhỏ nhẹ, tiện lợi, dễ sử dụng.
Ứng dụng: như một công tắc điện, dùng để điều khiển các thiết bị công suất lớn (đèn, động cơ...)
Thông số hoạt động
- Điện áp hoạt động: 5VDC được cấp vào 2 chân DC+ và DC-
- Dòng tiêu thụ: 200mA/ 1 relay.
- Tín hiệu kích: High (5V) hoặc Low (0V) chọn bằng Jumper trên Module Relay.
- Relay trên mạch: tiếp điểm đóng ngắt max: 250VAC-10A hoặc 30VDC-10A.
Hình 2.60 - Hình ảnh màn hình LCD 20x4
LCD 20x4 là loại màn hình tinh thể lỏng nhỏ dùng để hiển thị chữ hoặc số trong bảng mã ASCII. Mỗi ô của Text LCD bao gồm các chấm tinh thể lỏng, các chấm này kết hợp với nhau theo trình tự “ẩn” hoặc “hiện” sẽ tạo nên các kí tự cần hiển thị và mỗi ô chỉ hiển thị được một kí tự duy nhất.
LCD 20x4 nghĩa là loại LCD có 4 dòng và mỗi dòng chỉ hiển thị được 20 kí tự. Đây là loại màn hình được sử dụng rất phổ biến trong các loại mạch điện.
Thông số kĩ thuật của LCD 20x4
- Điện áp: 5V
- Ngõ giao tiếp: 16 chân
- Màu sắc màn hình: xanh lá hoặc xanh dương - Module hỗ trợ giao tiếp với vi điều khiển: I2C
Một vài lưu ý khi sử dụng Arduino Mega
- Khi bắt đầu sử dụng Arduino Mega 2560, bạn nên chú ý lựa chọn lại board. Bằng cách vào Tool → Board → Arduino Mega 2560. Nhằm tránh trước đó bạn đã sử dụng loại Arduino khác cổng vẫn còn nhận là board cũ nên khi build bạn sẽ gặp lỗi.
- Khi sử dụng chân RX, TX cuả Arduino, các bạn nên nhớ rút dây cắm tại 2 chân này ra rồi hãy bắt đầu upload. Sau đó hãy cắm lại bình thường và sử dụng để tránh gặp phải lỗi.
- Không được phép cắm trực tiếp chân GND vào chân nguồn 5V, có thể dẫn tới hỏng mạch.
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ - CHẾ TẠO MÔ HÌNH PHUN XĂNG, ĐÁNH LỬA 3.1. Thiết kế - chế tạo khung mô hình
3.1.1. Yêu cầu mô hình
Mô hình hệ thống phun xăng và đánh lửa được chế tạo nhằm mục đích hỗ trợ giảng viên trong công tác giảng dạy và giúp sinh viên có thể quan sát được đặc điểm kết cấu và hiểu nguyên lý làm việc của hệ thống phun xăng đánh lửa một cách dễ dàng. Mô hình cần đáp ứng những yêu cầu sau:
- Dễ dàng sử dụng và điều khiển.
- Phải thể hiện rõ ràng, dễ hiểu nguyên lý. - Kích thước gọn, nhẹ dễ dàng di chuyển. - Có độ bền cao hoạt động ổn định và an toàn.
3.1.2. Phương án thiết kế mô hình
Chọn hệ thống phun xăng đánh lửa trên xe Toyota Camry 2002 làm cơ sở để thực hiện mô hình vì đây là loại xe cũng khá phổ biến trong thực tế lại có số lượng nhiều các thiết bị hiện đại và đặc biệt dễ tìm hơn giá thành rẻ nhằm tạo điều kiện cho quá trình thực hiện mô hình.
3.1.3. Thiết kế khung mô hình3.1.3.1. Yêu cầu khung mô hình 3.1.3.1. Yêu cầu khung mô hình
Khung mô hình là nơi lắp đặt bảng bố trí các thiết bị của hệ thống ECU, bộ motor trục khuỷu và trục cam, các cảm biến và Adaptor bàn để lap top vì vậy khung mô hình phải đáp ứng được các yêu cầu sau:
- Kết cấu chắc chắn, khối lượng tương đối. - Được sơn lót chống gỉ và sơn thẩm mỹ.
- Độ lớn của khung phải đảm bảo bố trí một cách thích hợp các thiết bị trên sa bàn.
- Chiều cao phù hợp để tiện quan sát và vận hành. - Có bánh xe để di chuyển một các dễ dàng. - Giá thành hợp lý.
3.1.3.2. Lựa chọn vật liệu để chế tạo khung mô hình
Chọn vật liệu để chế tạo khung mô hình là sắt hộp vuông, có bề dày 1mm. kích thước các thanh thép sử dụng chủ yếu là: 30x30, 20x20, 15x15, 10x10.
3.1.3.3. Chế tạo bộ khung
Hình 3.1 - Hệ thống khung mô hình và giá đỡ
Khung được ghép và kết nối với nhau bằng phương pháp hàn điện, bộ khung được chế tạo làm hai phần:
- Khung hình hộp chữ nhật để lắp được các thiết bị và trang trí mô hình.
- Bộ phận chân đế được gắn bánh xe để di chuyển dễ dàng và là nơi lắp đặt nguồn điện.
3.1.4. Thiết kế, gá đặt chi tiết lên mô hình
Thiết kế và phác thảo vị trí của các chi tiết và bộ phận trên phần mềm AutoCAD.
In bản vẽ thiết kế ra giấy decal và sau đó dán lên tấm mica đã chọn theo đúng kích thước.
Lắp các tấm mica đã dán decal lên khung mô hình.
3.2. Giả lập tín hiệu đầu vào
3.2.1. Cảm biến nhiệt độ nước làm mát, không khí nạp [9]
Theo tìm hiểu trên phần cơ sở lý thuyết và sơ đồ mạch ở phần phụ lục ta biết được hai cảm biến nhiệt độ nước làm mát và nhiệt độ khí nạp có giắc chân nằm trên cụm giắc E10 của ECU ở chân số 19 và 20, sẽ đưa tín hiệu dưới dạng điện trở làm thay đổi điện áp để đưa vào hộp ECU xử lý. Dựa trên cơ sở này nhóm đã sử dụng các biến trở để thay thế cho cảm biến. Biến trở có thể thay đổi điện trở giống như cảm biến.
Hình 3.4 - Hình ảnh biến trở
Đối với giả lập tín hiệu cảm biến của cảm biến nhiệt độ nước làm mát ta sử dụng một biến trở 2K và mắc thêm một điện trở 1W – 150Ω vào chân thay đổi điện trở lúc này hộp sẽ nhận nhiệt độ nước làm mát từ 21oC – 108oC.
Đối với giả lập tín hiệu cảm biến của cảm biến nhiệt độ khí nạp ta cũng sử dụng một biến trở 2K với sự thay đổi điện trở như vậy thì hộp sẽ nhận nhiệt độ khí nạp từ 22oC – 110oC.
Các giá trị này được đọc trên phần mềm Techstream trong mục Datalist của phần mềm ta sẽ biết được nhiệt độ chính xác mà hộp nhận được từ các mạch giả lập.
3.2.2. Giả lập tín hiệu cảm biến lưu lượng khí nạp
Khi chạy ở tốc độ không tải thì điện áp chân VG của cảm biến gửi về hộp 0.5 – 3V giá trị này được lấy trên tài liệu Toyota Tis. [2]
Cảm biến lưu lượng khí nạp của hộp ECU 2AZ - FE là loại dây nhiệt với chân VG có vị trí trên giắc E9 là chân số 24 và tín hiệu đưa đến hộp ECU để xử lý là tín hiệu dưới dạng điện áp. Khi chạy ở tốc độ không tải thì điện áp chân VG của cảm biến gửi về hộp 0.5 – 3V, giá trị này được lấy trên tài liệu Toyota Tis. Vì vậy để giả lập được tín hiệu của VG thì ta phải sử dụng mạch quy đổi điện áp từ 5V xuống điện áp nhỏ hơn có
thể thay đổi từ 0.87V – 2V thì lưu lượng khí nạp nhận được trên Datalist là 1.07 – 10.23gm/sec.
Để có được điện áp 5V xuống điện áp nhỏ hơn có thể thay đổi từ 0.87V – 2V nhóm đã ứng dụng mạch cầu phân áp vào mạch giả lập như sơ đồ sau: [7]
3.2.3. Giả lập cảm biến vị trí bướm ga và bàn đạp ga
Các tín hiệu chân ga và bướm ga là tín hiệu điện áp được đưa vào hộp ECU. Ở đây chúng ta sẽ cung cấp điện áp cho các chân VTA, VPA, VPA2, VTA2 để đưa vào hộp.
Theo sơ đồ mạch ta xác định đươc các chân cảm biến vị trí bướm ga VTA, VTA2 lần lượt có các vị trí trên giắc E10 là chân số 21 và 31. Các chân của cảm biến vị trí bàn đạp ga VPA, VPA2, lần lượt có các vị trí trên giắc E6 là chân số 22, 23.
Giá trị điện áp của các chân tín hiệu khi đóng mở bướm ga và đạp bàn đạp ga thể hiện bảng sau:
Bảng 3.1 - Giá trị điện áp khi đóng của bàn đạp ga và bướm ga [2]
Đóng hoàn toàn Mở hoàn toàn
VTA 0.5 – 1.2V 3.2 – 4.8V
VTA2 2.1 – 3.1V 4.5 – 5.5V
VPA 0.5 – 1.1V 2.6 – 4.5V
VPA2 1.2 – 2.0V 3.4 – 4.75V
Dựa vào các giá trị điện áp nhóm lại tiếp tục ứng dụng mạch cầu phân áp để thay đổi điện áp đầu ra của VTA, VTA2, VPA, VPA2 thông qua biến trở 6 chân.
Hình 3.7 - Sơ đồ mạch điện cảm biến vị trí bướm ga và bàn đạp ga
được điều chỉnh theo biến trở 50K để đưa ra điện áp phù hợp vào hộp ECU. Ta có các chân VTA, VTA2, VPA, VPA2 sẽ nhận tín hiệu điện áp khác nhau như bảng. Lúc này ta chọn các điện trở phù hợp để điện áp đầu ra nằm trong dãy điện áp gửi vào cho các chân tín hiệu của hộp.
Theo như trên sơ đồ, chân VPA2 (1.44V – 4.58V), chân VTA2 (2.58V – 4.6V), VTA (0.52V – 4.27V), VPA (0.52V – 4.48V) độ mở bướm ga từ 10% - 84%. Thì khi ta thay đổi biến trở 50K RV1 thì đồng thời các điện áp của các chân VTA, VTA2, VPA, VPA2 sẽ thay đổi theo nên sẽ thay đổi được tín hiệu điện áp vào ECU để ECU xử lý. Biến trở 50K ở đây được làm như một bàn đạp ga để thay đổi giá trị điện trở.
Hình 3.8 - Mạch giả lập cảm biến vị trí bướm ga và bàn đạp ga 3.2.4. Hiển thị thời gian nhấc kim phun
Theo cơ sở lý thuyết, thời điểm hộp ECU điều khiển phun thì chân #10, #20, #30, #40 của hộp điều khiển được nối với mass. Thời gian chân #10, #20, #30, #40 được nối với mass cũng chính là thời gian nhất kim phun. Từ nguyên lý trên nhóm đã lập trình được hiển thị thời gian chân #10, #20, #30, #40 tiếp mass cũng như thời gian nhất kim phun.
Dựa vào nguyên lý đó nhóm đã thiết kế phần cứng để gửi tín hiệu vào cho Arduino xử lý như sau:
Hình 3.9 - Mạch tín hiệu thời gian nhấc kim phun
Thời gian phun diễn ra rất nhanh được tính bằng mili giây, để đảm bảo tránh sai số trong khi lập trình thì nhóm phải chọn OPTO PC817 đảm bảo xử lý kịp thời tín hiệu và chính xác khi vận hành.
OPTO PC817 là một transitor quang, khi chân #10 được tiếp mass sẽ có dòng qua diode quang làm kích dẫn transitor quang. Khi transitor dẫn thì điện áp chân số (2) ở mức thấp và ngược lại. Thời gian giữ chân số (2) ở mức thấp chính là thời gian nhất kim phun. Vận dụng tín hiệu chân số (2) này để lập trình tính toán thời gian nhất kim và hiển thị lên màn hình LCD.
Tiến hành lắp, hàn chân linh kiện vào mạch từ sơ đồ vẽ trên Proteus ta được mạch dưới:
Hình 3.10 - Mạch tín hiệu thời gian nhấc kim phun (thực tế)
Khi chân số (2) ở mức thấp (0V) thì arduino tiến hành đọc thời gian từ khi chân (2) ở mức thấp đến khi thay đổi trạng thái lên mức cao (5V). Lấy khoảng thời gian đọc này trừ đi thời gian bắt đầu ta được thời gian nhất kim phun, vì đơn vị lập trình Arduino là micro giây lên khi xuất ra giá trị phải chia cho 1000 để được đơn vị là mili giây.
Sau khi nạp chương trình vào Arduino và tiến hành chạy thử ta hiển thị được kết quả như sau:
Hình 3.12 - Hiển thị thời gian nhấc kim lên LCD
Thời gian nhất kim được hiển thị đúng như mong muốn, về độ chính xác nhóm sẽ đánh giá ở Chương IV.
Hiển thị giá trị điện áp các chân tín hiệu cảm biến:
Các chân analog (A0, A1, A2, A3, A4, ...) của Arduino đọc các giá trị điện áp từ 0 đến 5V tương ứng giá trị từ 0 đến 1023. Từ đó, ta có công thức quy đổi giá tri 0 – 1023 thành 0 – 5V để ứng dụng vào để viết chương trình đọc giá trị chân điện áp:
Ký hiệu các chân tín hiệu trên LCD:
TP (Throttle Position) là giá trị điện áp chân VTA. TP2 (Throttle Position 2) là giá trị điện áp chân VTA2. PS (Pedal Sensor) là giá trị điện áp chân VPA.
PS2 (Pedal Sensor 2) là giá trị điện áp chân VPA2. MAF (Mass Air Flow) là giá trị điện áp chân VG. T (Time) là thời gian nhấc kim phun.
Viết chương trình nạp vào Arduino Mega 2560 để hiển thị các giá trị điện áp lên LCD:
Hình 3.14 - Chương trình hiển thị điện áp lên LCD
Sau khi nạp chương trình xong ta tiến hành chạy thử và các giá trị điện áp được đọc và hiển thị lên màn hình LCD.
3.2.5. Đánh Pan bằng Bluetooth [4]
Thông thường việc đánh pan thông qua các công tắc để làm hở mạch dây dẫn từ đó dẫn đến lỗi các hệ thống, cảm biến trên mô hình. Để thay đổi và hiện đại hơn nhóm đã kết hợp thêm Module Bluetooth HC – 06 và Module Relay 8 kênh để thực hiện việc đánh pan bằng điện thoại trên ứng dụng “Bluetooth Controller 8 Lamp” thông qua kết nối Bluetooth.
Vì ứng dụng “Bluetooth Controller 8 Lamp” chỉ gửi tối đa 8 tín hiệu nên nhóm sẽ thực hiện đánh 8 pan trên mô hình.
Để điểu khiển đánh pan bằng Bluetooth trước hết ta phải thiết kế phần cứng sau đó tiến hành viết chương trình để điều khiển.
Dùng phần mềm Proteus để vẽ sơ đồ mạch kết nối:
Hình 3.17 - Kết nối module bluetooth, relay với arduino
Hình 3.18 - Kết nối module bluetooth, relay với arduino (thực tế)
Chân TX của Module Bluetooth nối với chân RX của arduino, chân RX của Module Bluetooth nối với chân TX của arduino.
Sau khi đã hoàn thành kết nối phần cứng, ta tiến hành viết chương trình cho việc điều khiển Module Bluetooth HC – 06 và Arduino Mega 2560.
Đối với Arduino Mega 2560 muốn hoạt động nhận tín hiệu và điều khiển relay